JP2851384B2 - 光フアイバ増幅器 - Google Patents

光フアイバ増幅器

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JP2851384B2 JP2155307A JP15530790A JP2851384B2 JP 2851384 B2 JP2851384 B2 JP 2851384B2 JP 2155307 A JP2155307 A JP 2155307A JP 15530790 A JP15530790 A JP 15530790A JP 2851384 B2 JP2851384 B2 JP 2851384B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光通信に用いられる1.3μm帯光信号を直
接に増幅する光ファイバ増幅器に関する。
〈従来の技術〉 コアにエルビウム(Er3+)をドープすることにより光
信号を直接に増幅することのできる石英系ファイバ、い
わゆるErドープファイバ増幅器は、1.55μm帯光通信シ
ステムにおける新しい増幅器として、各研究機関で活発
に研究されている。
ここで、Erドープファイバ増幅器はファイバ中にドー
プされたEr原子の励起準位にある電子が1.50〜1.60μm
帯の光信号により誘導遷移を起こし、光強度を増幅する
ものである。また、励起準位への励起光源としてはは主
として、1.48μm又は0.98μm高出力半導体レーザが使
用される。更に、Erドープファイバ増幅器は外形がファ
イバ形であるので、既存のシステムとの結合が容易であ
り、偏波依存度が無く、高利得が得られ、低雑音であ
り、温度変動による利得変動が殆どないなど数多くの長
所を有している。
しかし、結晶場の影響を受けにくい希土類元素である
Er原子固有のエネルギ準位間の電子遷移を用いている為
に、1.55μm帯以外の波長の信号光を増幅することがで
きるとの報告は未だされていない。
一方、実用化されているもう一つの1.3μm帯光通信
システムにおいては、Erドープファイバ増幅器に類似の
Ndドープファイバ増幅器が考案されている。このNdドー
プファイバ増幅器は、コアにネオジミウム(Nd)をドー
プすることにより、1.3μm帯におて、発光に寄与する
レーザ始準位から終準位への遷移と、レーザ始準位から
更に上準位への励起による吸収を伴う遷移(励起吸収)
との競合により発光させるものである。
ここで、1.3μm帯ではガラス材料として、石英ガラ
ス、リン酸ガラス、フッ化ガラス等が試みられている
が、石英ガラスでは励起吸収の方が大きいので、1.3μ
m帯の発光は殆ど期待できない。一方、フッ化物ガラス
では、発光遷移の方が相対的に大きいので1.3μm帯の
発光が期待できる。
〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、Ndドープファイバ増幅器は、Erドープ
ファイバ増幅器に比べて利得が小さく、実用に際しては
もっと高利得なNdドープファイバ増幅器が求められてい
た。
そこで、本発明者等は上記要求に応えるために鋭意検
討、研究を重ねた結果、フッ化物ガラスファイバにNdを
Nd3+として添加し、このファイバに波長0.78μmのレー
ザ光を励起光として入射すると共に波長0.5μm程度の
光を入射すると、1.3μm帯において、高効率の光増幅
が行われることを見出した。
これは、第2図(a)に示すように1.3μm帯の増幅
利得が低い原因は、Nd3+4F3/24G7/2、または4G9/2
準位への励起吸収が4F3/24I13/2への誘導遷移と競合
している為であるから、予め4G7/2又は4G9/2準位に電子
を満たしておいてやれば、励起吸収が抑えられ、その結
果、1.3μm帯の発光が大きくなるものと考えられる。
一方、Erドープファイバは、1.48μm,0.98μm光を励
起光として入射することにより、1.55μm帯の光を増幅
することができるが、励起強度を強くするとアップコン
バージョンにより波長約0.5μmで発光することが知ら
れている。つまり、1.48μm励起の場合、第2図(b)
に示すようにEr原子の基底準位から、1.48μmの波長に
より4I13/2準位に励起されるが、励起強度を強くしてい
くと、4G4/22H11/24F7/2準位に励起された後、基底
準位まで一気に遷移する。この時、4S4/22H11/24F
7/2準位の相当分である約0.5μmの波長のエネルギを放
出するのである。従って、Erドープファイバのアップコ
ンバージョンにより発光する波長約0.5μmの光を利用
すれば、Nd3+のドープされたフッ化物ガラスファイバの
高効率の増幅を容易に実現することが可能となる。
本発明は、上記知見に基づいて成されたものであり、
1.3μm帯において増幅率が高く、且つ、光通信用赤外
光ファイバと低損失で接続可能な光ファイバ形状を有す
る増幅器を提供することを目的とするものである。
〈課題を解決するための手段〉 斯かる目的を達成する本発明の構成はコアにNd3+のド
ープされたフッ化物ガラスファイバに、波長1.3μmの
信号光と共に励起光を入射し、更に前記フッ化物ガラス
ファイバの励起吸収を抑制する光を入射させることによ
り前記信号光を高効率で増幅することを特徴とする。
更に、前記フッ化物ガラスファイバの励起吸収を抑制
する光として、コアにEr3+のドープされた石英系ファイ
バのアップコンバーョンにより発光する波長0.5μmの
光を使用すると一層好適である。
〈作用〉 コアにNd3+のドープされたフッ化物ガラスファイバ
に、波長1.3μmの信号光と共に励起光を入射し、更に
前記フッ化物ガラスファイバの励起吸収を抑制する光を
入射させて4G7/2又は4G9/2準位に電子を満たせば、第2
図(a)に示すように、4F3/24I13/2への誘導遷移が
起こりやすくなるため、増幅率が向上することとなる。
また、第2図(b)に示すように、コアにEr3+のドー
プされた石英系ファイバの励起強度を強くすると、アッ
プコンバーョンにより波長0.5μmの光が発光するの
で、この波長0.5μmの光によりフッ化物ガラスファイ
バの励起吸収を抑制することが可能である。
〈実施例〉 以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して
詳細に説明する。
第1図に本発明の第1の実施例を示す。同図に示す実
施例は、コアにNd3+のドープされたフッ化物ガラスファ
イバ7の励起吸収を抑制する為に、Erのドープされた石
英系ファイバ12のアップコンバーョンにより発光する波
長0.5μmの光を利用するものである。
即ち、増幅媒体であるフッ化物ガラスファイバ7のコ
アにはNd3+がドープされ、このファイバ7の一端は光フ
ァイバ6,2に順に接続される一方、その他端は光ファイ
バ8,10に順に接続されている。光ファイバ2と光ファイ
バ6の間には合波器(カップラ)5が配置され、この合
波器5には光ファイバ4が接続されている。
従って、信号光としてレーザ光1を光ファイバ1の一
端に入射させると、このレーザ光1は合波器5,光ファイ
バ6を伝搬してフッ化物ガラスファイバ7に導かれる一
方、光ファイバ4の一端に励起光3を入射すると、この
励起光3は合波器5でレーザ光1と合波して光ファイバ
6を伝搬してフッ化物ガラスファイバ7に導かれる。
ここで、信号光であるレーザ光としては、波長1.3μ
mの光が使用され、また、励起光としては、励起媒質で
あるNd3+がドープされたフッ化物ガラスファイバ7を励
起するため波長0.78μmのレーザ光が使用される。この
ため、合波器5としては、0.8μm及び1.3μmの波長分
割多重型の光カップラが好適である。
一方、光ファイバ8と光ファイバ10との間には合波器
(カップラ)9が配置され、この合波器9に光ファイバ
11が接続されている。この光ファイバ11の一端には、コ
アにEr3+のドープされた、いわゆるErドープファイバ12
が接続されている。
従って、このErドープファイバ12の一端から、励起光
13として1.48μm又は0.98μmのレーザ光を入射し、ア
ップコンバーョンにより発光させると、この光が合波器
9を介して光ファイバ8、フッ化物ガラスファイバ7に
伝搬することになる。
ここで、アップコンバーョンにより発光する光の波長
は0.5μmである為、合波器9としては、0.5及び1.3μ
mの波長分割多重型光カップラが好適である。このアッ
プバージョンにより発光する波長0.5μmの光によりフ
ッ化物ガラスファイバの励起吸収を抑制することが可能
である。
そこで、この波長0.5μmの光を特に第二励起光と呼
ぶこととする。
上記構成を有する本実施例の光ファイバ増幅器は次の
ように使用する。
先ず、励起光1を光ファイバ2に入射して合波器5、
光ファイバ6を通じてフッ化物ガラスファイバ7に導
き、このフッ化物ガラスファイバ7内の電子が反転分布
となるように励起光1の出力を増加させる。この励起光
1をフッ化物ガラスファイバ7が発振し始める強度(閾
値)の約95%にしておき、信号光であるレーザ光3を光
ファイバ4に入射して合波器5に入力する。合波器5の
波長依存性により、レーザ光3は出射端である光ファイ
バ6に出射して、光ファイバ6を通じてフッ化物ガラス
ファイバ7に導かれる。
この時、励起光13をErドープファイバ12の一端から入
射して、アップバージョンにより波長0.5μmの光を発
光させると、この波長0.5μmの光は第二励起光として
合波器9、光ファイバ8に伝搬してフッ化物ガラスファ
イバ7に導かれる。この第二励起光により、Nd原子の励
起吸収を引き起こす上準位が満たされ、誘導放出が起こ
りやすくなり、高強度に信号光を増幅するこことが可能
となり、増幅された信号光は光ファイバ10を通じて出力
される。
ここで、Erドープファイバ12における、波長0.5μm
の光の放出は次のように行われる。即ち、1.48μm半導
体レーザ等で励起したEr原子の電子は基底状態から約67
00cm-1上にある4I13/2準位に励起されるが、励起強度を
大きくすると更に上の基底状態からそれぞれ約20500cm
-1,19400cm-1,18500cm-1cm離れた4F7/22H11/24S4/2
準位へと励起される。しかしながら、これらは高エネル
ギ状態であるため不安定状態であり、早い緩和により基
底状態まで遷移する。その際に、そのエネルギ分を光と
して放出する。これを、アップコンバージョンという。
フッ化物ガラスファイバ7においては、0.78μm半導
体レーザ励起により基底状態から約12800cm-1離れた2H
9/2準位に励起され、基底状態から約11500cm-1離れた4F
3/2準位まで格子振動を伴った非放射緩和をし、基底状
態からそれぞれ6000cm-1,4000cm-1,2000cm-1離れた4I
15/2,4I13/2,4I11/2準位及び基底状態である4I9/2準位
にそれぞれ1.8μm,1.05μm,0.9μmの光の放出を伴いな
がら緩和する。1.3μm帯光増幅に寄与する遷移は4F3/2
4I13/2遷移であるが、4F3/2よりも高エネルギ状態に
ある基底状態より約19000〜20000cm-1離れた4G9/2,4G
7/2準位への励起吸収が起こり、観測され1.3μm帯の発
光は両者の差引で決まるものである。従って、励起吸収
の関与する4G9/2,4G7/2準位中の電子状態密度を高くさ
せてやれば、励起吸収が抑制され、1.3μm帯の発光強
度が増加するのことが期待できる。
本発明者等は鋭意検討、研究を重ねた結果、波長約0.
5μmの光をNd原子に照射することにより、この事が実
現されることを見出した。光通信システムへの挿入の容
易さ考えた場合、Erドープファイバ12中のEr原子のアッ
プコンバージョンによる光が有利である。それは、接続
損失が低く、Arレーザのように大型化を伴わず、比較的
コンパクトな大きさであり、従って取扱が容易なためで
ある。
尚、第二励起光源としてErドープファイバ12に代えて
Arレーザを使用した結果を第3図に破線で示すように、
実線で示す第二励起光を使用しない場合に比較して利得
が向上することが確認された。但し、信号光の入力を−
30,−40,−50dBとし、波長領域を1.30〜1.38μmとし
た。
本実施例で増幅媒体として使用されるフッ化物ガラス
ファイバ7に用いられる材料は、ZrF4−BaF2−LaF3−Al
F3−NaF系のフッ化物ガラスを主成分とするものが使用
できる。例えば、その好ましい組成としてはZrF4=50〜
58mol%、BaF2=33〜36mol%、LaF3=3〜6mol%、AlF3
=2〜5mol%、NaF=0〜20mol%であり、NdF31mol%以
下である。更に、このフッ化物ガラスファイバ7のコア
径が5.5〜7.5μm、クラッド径が125μmであり、カッ
トオフ波長が0.78μm〜0.8μmであるようなシングル
モードファイバが好適である。また、励起光1として
は、高出力AlGaAs半導体レーザ等が使用される。
尚、フッ化物ガラスファイバ7の材料として、フッ化
物ガラスに代えて石英系ガラス等の材料を主成分とする
と、Ndを含有させても励起吸収の方がレーザ遷移に比べ
て支配的となるため好ましくない。
一方、上記実施例で第二励起光源として使用されるEr
ドープファイバ12としても、上記組成のフッ化物ファイ
バが使用できる。その場合、Er濃度は1mol%以下であ
り、フッ化物ファイバのコア径が5.5〜7.5μm、クラッ
ド径が125μmであり、カットオフ波長が1.45μm程度
であるようなシングルモードファイバが好適である。励
起光13としては、1.48μm付近にピーク波長を有するGa
InAsP高出力半導体レーザ等が使用できる。
〈発明の効果〉 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本
発明の光ファイバ増幅器は、励起光、信号光以外に励起
吸収をを抑制する光を入射したので、1.3μm帯光を高
効率で増幅することだできると共に光ファイバとの結合
も容易である。従って、本発明の光ファイバ増幅器は1.
3μm帯光通信システム中おける光ファイバ中継点で容
易に連結することのできる光増幅器としても有用なもの
である。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の第一の実施例に係る光ファイバ増幅器
の構成図、第2図(a)(b)はそれぞれLaF3結晶中に
おけるNd3+のエネルギ準位、Er3+のエネルギ準位を示す
グラフ、第3図はArレーザを第二励起光として使用した
結果を示すグラフである。 図面中、 1,13は励起光、 2,4,6,8,10,11は光ファイバ、 3はレーザ光、 5,9は合波器、 7はフッ化物ガラスファイバ、 12はErドープファイバである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 勝山 豊 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/07 H01S 3/10 H01S 3/16 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コアにNd3+のドープされたフッ化物ガラス
    ファイバに、波長1.3μmの信号光と共に励起光を入射
    し、更に前記フッ化物ガラスファイバの励起吸収を抑制
    する光を入射させることにより前記信号光を高効率で増
    幅することを特徴とする光ファイバ増幅器。
  2. 【請求項2】前記フッ化物ガラスファイバの励起吸収を
    抑制する光として、コアにEr3+のドープされた石英系フ
    ァイバのアップコンバーョンにより発光する波長0.5μ
    mの光を使用することを特徴とする請求項(1)記載の
    光ファイバ増幅器。
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